塔架与风轮系统的振动模态分析

首先应考虑的是风力发电机组动态稳定性问题，即在风力发电机组运行的所有转速范围和可能遇到的气象条件下，各部件振动的振幅不超过安全运行和设计要求的规定，并且在发生与系统固有频率同步的强迫振动时，振动不发散，能很快恢复到正常的稳定状态。

图7-25所示为叶片、机舱、塔架的时间运动情况，这些运动是在空气动力、离心力、重力和陀螺效应力作用下产生的。所有的力在风力转动过程中周期性变化，使每一个部件在给定运动方向上产生振动。对系统、各部件做振动模态分析，就是理论上确定它们在相应的交变力、交变力矩作用下的振型、振幅和频率，从而为解决风力发电机组的动态稳定性问题提供重要依据。图7-26所示为水平轴风力机叶片、风轮和塔架的各种理论振型。

图7-25　水平轴风力机的受力、运动和变形

图7-26　水平轴风力机叶片、风轮和塔架的理论振型(www.xing528.com)

处理风力发电机组动态稳定性问题的另一重要手段是借助于塔顶、风轮叶片、风轮轴承、变速箱等零部件实际振动频率响应的测试，并做出深入的频谱分析。这有利于解决测试机组的振动问题，也为设计提供了基础支持。

图7-27所示为某风力机叶片频率响应测试的结果。在风轮转速频率提高的过程中，叶片的振幅增加，并在转速的某一个区段内振幅明显增加，而后减小，这是通过叶片一阶固有频率频带时的特征。在没有空气动力干扰的条件下，通过叶片固有频率的2倍、3倍乃至高倍频时，其振幅也有一定程度的增加。

图7-27　风轮叶片频率响应测试结果

对频率响应测试做频谱分析，还可以得到振动主频和它的各阶倍频下振动能量的比较等重要结果。出现风力发电机组系统或某些部件振动过大，动态稳定性差的问题时，在振动模态分析、振动测试频谱分析的基础上，有针对性地对叶片刚度、质量分布，风轮旋转质量的平衡，轴承刚度，风轮轴心与增速箱轴心的对中，塔架刚度、质量分布，塔架与基础的固定等作出改进。